短脉冲激光的应用分析

微加工特点
激光功率小：mW～W量级；
功率密度高；
加工尺寸小，分辨率高； 脉冲、连续两种方式。
加工精度
衍射极限（横向分辨率约等于波长量级） Rayleigh长度（焦长）
激光微加工应用领域
激光微加工技术主要应用于以下三个重要 领域： 微电子学（ ME ） —— 薄膜的局部沉积及 去除，即激光修整、激光光刻、激光微机械 加工，以及退火、局部掺杂及焊接等。 微机械学（ MM ） —— 在设备制造业、汽 车以及航空精密制造业和各种微细加工业中 可用激光进行切割、钻孔、打标、雕刻、划 线、热渗透、焊接、硬化处理等。 微光学（MO）——利用诸如微压型、打磨抛光等激光表面处理来加工多 种微型光学元件，也可通过诸如激光填充多孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化来改变 组织结构，然后，通过调和外部机械力，再在软化阶段依靠等离子体辅助进行 微成形来加工微光学元件。
飞秒激光对硅表面的加工处理
另外，对于一些高爆危险物品如：TNT、PETN、HMX、LX和PBX等， 通常由于对热应力和冲击波的敏感性使得其加工处理过程中的安全性受到重 大挑战。在应用传统的机械操作中，若使用了不适当的夹持工件、不适当的 工具结构或者不适当的切割速度都可能会造成加工过程的剧烈反应。传统的 激光脉冲常被用作爆炸物品的点火，飞秒激光脉冲则可以用来高爆危险品的 切割。M. D. Perry利用l000Hz、100fs的钛宝石激光对多种高爆危险品进行了 安全切割，如下图（b）所示。在直径为lcm、厚度为2mm的样品表面没有任 何化学反应痕迹，整个切割面上材料的化学性质没有发生变化。而用600ps的 激光照射时，立即观察到样品的爆燃过程，切割边缘出现熔化痕迹，并且生 成大量新的热反应物质，如（a）所示。
飞秒激光微细加工应用
飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功 率正在打破以往传统的激光加工方法，开创了材料 超精细、低损伤和空间3D加工和处理的新领域。该 技术已在多个领域得到非常广泛应用。
在材料微细加工领域的应用
德国汉诺威激光中心的B. N. Chichkov研究小组在真空靶 室中放置100 mm厚的钢片，然后分别将能量为l mJ、宽度为 3.3 ns和能量为120 μJ、宽度为200 fs的聚集激光对其表面进 行加工，经过104个脉冲照射后，比较两者的处理结果具有 显著的不同。下图（a）和（b）分别为各自处理结果的SEM 图像。
激光微加工
激光微加工的概念 激光微加工的应用领域 飞秒激光微加工的优点
飞秒微加工的重要应用
光纤激光在精细加工中的应用 展望
微加工的概念
微加工的概念
Microfabrication 微细加工（结构，功能，性能） Micromachining 精细加工（尺寸精确，机械加工）
起源于半导体制造工艺
传统微加工技术多用于硅材料，并限于平面结构，由于这种基于传统 光刻和各向异性腐蚀硅微机械，结晶学取向性限制了能获得的形状。
纳秒（a）和飞秒（a）激光对高熔点金属铼的加工
对于一些超高硬度的材料如金刚石，由于它具有独特的力 学、热学和光电特性，在机械摩擦、切割、光学和装饰方面具 有重要的应用价值。金刚石的能带间隔为5.4eV，目前主要采用 波长小于230nm准分子纳秒脉冲激光进行加工，在材料加工边 缘容易形成炭化区域和机械应力，如图下图(a)所示。最近，瑞 士G. Dumitru和英国M. Gower等人采用脉宽为150 fs、能量为54 mJ的钛宝石激光（输出波长为800nm）对l mm厚的人造CVD金 刚石进行了钻孔和切割处理，如图下图(b)所示。
激光在上述领域的应用推动了它在许多新兴的工程方面的应用，例如：信 息、通讯、医药、微型机器人和其他一些集光、电、机械为一体的微型系统。
பைடு நூலகம்
飞秒激光加工的优点
飞秒激光加工是一种高强度脉冲激光加工，具 有如下优点： 无接触； 非真空条件（与X射线、电子束、离子束）； 深入体内（三维加工）； 作用区域小于衍射极限（多光子）。
（a）
（b）
对于一些难熔性金属如：钼、钽、铼、钨等，其相应的熔 点位于高达2610-3410℃范围，若采用传统的长脉冲激光很难 完成对它们的精细加工。但由于飞秒激光作用基于多光子吸 收和电离机制，避免了热传导效应，因此成为对这些金属成 功实现高精度处理的唯一选择。最近美国Clark公司应用150fs 激光在100μm厚、熔点温度为3180℃的铼材料上实现了直径 为110μm的精确钻孔，与应用8ns激光进行加工的情况相比， 避免孔径周围热应力导致的裂纹产生，如图下图所示。
纳秒（a）和飞秒（b）激光对CVD金刚石的切割
对于一些电解质材料如硅，由于具有弱机械性、高热传导性以及光 谱在UV-IR范围内高透射性等，通常被用来制作传感器件、探测器件 以及太阳能电池等高技术产品。随着应用要求的不断提高，传统的硅 加工处理手段变得愈加困难。飞秒激光以其独特的除热和消机械应力 的加工特性给硅材料的切割等处理技术带来了新的希望。下图（a） 为飞秒激光对硅材料表面加工的原子力显微图像及其截面包络；（b） 表示了M．Meunier等人采用光谱物理公司生产的重复率为lkHz的钛 宝石再生放大系统，将输出波长为760-820nm，能量约lmJ，持续时间 小于120fs的脉冲激光对厚度仅为50μ m的硅晶片实现了高精度切割 。
纳秒（a）和飞秒（b）激光对爆炸物品的切割
在微电子学领域的应用
现代微电子产业在本质上是芯片的集成制造为 核心，而光掩模和光刻技术是处在这一核心链的一 个关键环节。它是联接集成略设计与制造的纽带， 光掩模和光刻技术水平和质量就成为集成电路产品、 质量和生产效率关键。
微加工作为微机械的关键技术
目前常用的工艺方法有：半导体IC加工工艺的硅微细加工，微细电火 花精密加工，LIGA技术，微组装技术等等。
微加工几何尺寸的偏差比例（比传统的结构）大
一般传统加工偏差1%， MEMS加工尺寸偏差大于10％
区别于传统的激光加工
激光微加工区别于传统得奖激光焊接、切割、打孔、表面改性 等，包含范围非常广，能无限激发人的创造力。